柯林斯0级潜艇噪声分析及其减振降噪措施(中文)

第32卷第9期2010年9月舰 船 科 学 技 术
S H I P SCI E NCE A ND TEC HNOL OG Y Vo.l 32,No .9
Sep .,2010
/柯林斯0级潜艇噪声分析及其减振降噪措施
刘兴章,王大海,王雪山
(海军驻大连地区军事代表室,辽宁大连116021)
摘 要: 分析了澳大利亚海军/柯林斯0级潜艇出现的噪声问题,介绍了针对这些噪声问题所采用的减振降
噪措施,为我国潜艇的减振降噪提供参考。

关键词: 潜艇;减振降噪;水动力噪声中图分类号: U661144
文献标识码: A
文章编号: 1672-7649(2010)09-0140-04
DO I :1013404/j 1issn 11672-7649120101091034
The noise ana lysis and controlm ea s ur es review in C ollins cla ss subm ar ine
LIU X ing 2z hang ,WANG Da 2ha,i WANG Xue 2shan
(N avalD eputy O ffice of Dalian Area ,Dalian 116021,Ch i n a)
Abstr act : The noise proble ms of the Collins class submarine ofAustralian navy were ana l y z ed in th is
paper .A ccord i n g to these discovered prob le m s ,the main noise con trolmeasures presented by the paper were used in the Colli n s class submari n e .The analysis resu lts can give helpf ul advices to noise contr ol work of Chinese sub m ari n e .
K ey w ords : sub m arine ;noise con tro;l hydrodyna m ic noise
收稿日期:2010-02-01;修回日期:2010-03-31
作者简介:刘兴章(1971-),男,研究生,工程师,从事舰船监造及噪声测试工作。

0 引 言
澳大利亚海军的/柯林斯0级潜艇是目前世界上最大的常规动力潜艇,也是现役较先进的常规动力潜艇之一。

该级潜艇项目的开发,大大促进澳大利亚潜艇建造及维护的水平。

但由于澳方造船工业基础比较薄弱,特别是缺乏先进潜艇建造经验,该级潜艇从设计和建造初期开始,就受到层出不穷的事故和质量问题的困扰,其中最主要问题之一,是该艇在中高速情况下噪声水平过高,以至影响了声呐系统的正常工作。

为了改进该级潜艇声隐身性能,对潜艇的噪声进行了分析研究,并采取了一系列的减振降噪措施,取得了很好的降噪效果
112。

本文通过对该级艇设计、
建造和使用中的噪声问题及解决措施的分析,介绍潜艇降噪改进的一些基本思路,为我国潜艇的减振降噪工作提供参考。

1 /柯林斯0级潜艇噪声问题的发现及分析
111 噪声问题的发现
该级艇首艇/柯林斯0号于1996年服役,但是第2艘却延迟达18个月。

主要是存在一些质量和噪声问题,并被主流媒体不断曝光,以至于政府不得不出面组成独立调查委员会对相关问题展开调查。

1999年6月,麦金塔-普利斯托克报告公之于众,暴露了该艇存在的大量质量问题,其中噪声太大使得易受攻击
是重要问题11-22。

其实,该级艇的噪声问题早在首艇试航时就发现了。

航行试验结果表明,该艇在低速航行时性能优良,噪声水平比较低,但水下高速航行(12kn 以上)时噪声大大增强,以至于声呐系统完全失效,被当地媒体调侃为/水下洗衣机0。

112 原因及查找分析
对于潜艇而言,噪声主要由机械噪声、螺旋桨噪
第9期刘兴章,等:/柯林斯0级潜艇噪声分析及其减振降噪措施声和水动力噪声等组成。

这些噪声在潜艇的不同航速下,对潜艇的辐射噪声有不同的影响。

潜艇在电力推进工况下,低速时噪声主要来自机械噪声,而中高速时螺旋桨噪声及水动力噪声是主要噪声源。

为了解决该级艇的水下噪声问题,澳方对机械噪声及水动力噪声做了大量的研究工作。

1)机械噪声控制取得较好效果
鉴于以往/白龙0级潜艇的使用经验,澳大利亚海军对于/柯林斯0级潜艇机械噪声的控制,从设计到建造全过程,都给予了极大的关注。

主要措施包括对主辅机、泵等主要噪声源提出较高的噪声指标要求;在主要机械设备间层层加入减振措施,甚至双层甲板的上层建筑与艇体耐压壳之间也加入减振手段;主要管路使用挠性接管;艇体大量敷设阻尼材料等,使机械噪声的控制取得较大的成果。

相关的科研部门还对主动减振装置进行研究,通过在柴油机双层减振的中间质量上加装主动减振装置,大大降低了柴油机座的振动水平。

在后续的试验中表明,该级艇在低速航行工况噪声很低,甚至低于海洋环境背景噪声
132。

未进行降噪改进的该级潜艇参加美澳联合军演的成绩也表明,该级艇具有良好的低速静音性能,成功地控制了机械噪声的水平。

2002年,澳海军的/柯林斯0级潜艇/希恩0号与美国/洛杉矶0级潜艇/奥林匹亚0号在夏威夷进行了一周的严格实战演习,双方各自扮演攻守角色,并且几乎打成平手。

澳大利亚海军的内部刊物写到/柯林斯级在和美国最先进潜舰的对战中取得傲人成绩0。

2)水动力噪声和螺旋桨噪声是主要问题
1996~1997年,澳方对首艇/柯林斯0号的航行试验表明,水动力噪声特别是高速下的水动力噪声,是/柯林斯0级潜艇的主要噪声源,以至于在高速下该艇的声呐无法正常工作。

/柯林斯0级潜艇的设计开发之初,设计者就曾经制作过1条缩比模型,并通过了水洞试验,证明该艇的水动力及螺旋桨噪声没有问题。

设计上,为了保证上层建筑的流线形,该型艇上层建筑的系缆桩都设计为可收放形式,航行状态时就收起,以免产生水动力噪声。

然而合同签订后,应军方提出的新要求,对该型艇的艇体进行了一些改动,包括:对首声呐导流罩进行了重新设计,加高加大原来的声呐导流罩,目的在于减少声呐的盲区;由于舷侧阵测向声呐有垂直
安装的要求,双甲板中的玻璃钢上层甲板的线型设计
进行了修改;为了适应加大的动力装置的需要,将艇体加长2m ,并对螺旋桨重新进行了设计。

由于更改的设计并未安排相应的测试,这也为潜艇的噪声问题埋下了隐患。

螺旋桨空泡噪声是该艇的另一主要噪声源。

该艇采用了瑞典设计的七叶大倾斜螺旋桨,但由于该艇后续要求提供更大动力,艇的螺旋桨被重新进行了设计以提供更大的动力。

和艇体的更改设计一样,螺旋桨的设计也没有经过重新测试。

澳大利亚国防科技协会的研究表明,重新设计的艇体,特别是重新设计的声呐导流罩,水平舵和潜艇的尾部外形(考库姆公司的原设计双层甲板尾部采用半圆形过度,导致严重的旋涡,加大了螺旋桨的空化现象),使高速时水下流场发生变化产生2条明显的湍流。

螺旋桨桨叶经过这些湍流,产生了严重振动和空泡。

图1 /柯林斯0级潜艇水面航行图
F i g 11 The navi gati ng diagra m of the Collins c l ass subm ari ne
2 主要减振降噪改进措施
211 复合材料上层建筑和舵的外形及结构修改 澳方研究表明,原设计/柯林斯0级潜艇的耐压壳体上的双层甲板中的上甲板是由玻璃钢制成的,刚性不足并且流线型较差。

根据潜艇水下噪声形成的物理数学模型,压力紊流脉动值随着潜艇航速的增大而急剧增大(约为航速的3次方)。

在外艇体大段上刚性的不足和存在流线很差的附体是不可取的。

尾部过渡区,由于存在结构复杂的尾操作面,不但使流体噪声加大,而且使伴流场不均匀,影响螺旋桨的工
作环境,使其无空泡速度大大降低142。

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舰船科学技术第32卷
因此,为了降低湍流噪声级,应力求缩减轻艇体外板、上层建筑和艇体可通透部分的面积,并使这些结构钢性化。

经过分析研究,澳方对玻璃钢上层甲板的外形重新修改设计并加强,通过比较/柯林斯0级艇服役之初和近期的照片,我们可以很容易发现,该艇的指挥台围壳形状有了较大变化,前部出现了鼻子形的圆弧过度。

这种设计可以有效降低指挥台围壳产生的乱流,在减少阻力的同时,降低噪声。

其他国家的一些先进潜艇,如美国的/弗吉尼亚0级潜艇、德国的212型潜艇、日本的/苍龙0号潜艇也都对指挥台围壳进行了类似的处理。

指挥台围壳的后部外形也做了修改,倾斜角度明显加大;尾部上层建筑形式也由原来的容易引起旋涡的半圆形收尾,改成了渐变收尾的形式,有点类似于半圆锥形;围壳舵和尾舵的外形也进行了修改,以改变艇体的水动力特性,减小湍流对螺旋桨的影响。

这些改进,能改变艇体流体动力特性,降低流体噪声水平,并减轻对螺旋桨的影响。

212重新设计生产螺旋桨
该艇的原螺旋桨是由瑞典设计的七叶大侧斜型螺旋桨,采用高阻尼合金。

这种合金具有较好的阻尼效果,理论上能大大减少螺旋桨噪声。

但该合金的强度被证明严重不足,仅仅服役几年就发生疲劳裂缝,服役中的潜艇最近面临桨叶断掉的风险。

此外,该合金加工非常难,只能采用手工加工的方式,导致至少有一处线型错误。

向美国寻救帮助,由美国螺旋桨进行重新设计。

通过美国人的重新设计,澳大利亚彻底更换了螺旋桨,改变了螺旋桨的原有振动特性,使该艇的中高速性得到较大改善。

213敷设消声瓦
从第2艘艇开始,澳海军对/柯林斯0级潜艇进行了消声瓦的敷设工作,首艇后续也补装了消声瓦。

通过敷设消声瓦,进一步降低了艇水下辐射噪声和目标声强度。

值得澳大利亚人骄傲的是,澳大利亚人能独辟稀径,从粘在高速公路上的/猫眼0装置上得到灵感,开发出专用消声瓦粘贴材料,使该级艇从未发生消声瓦脱落现象。

214改进舵机等机械设备
在试验场的全面测试还发现了一些原来未发现的问题,比如后部的X型控制舵转舵时会产生尖锐的液压噪声,通过更换新型的舵机,这个问题得到了解决。

通过以上几方面的工作,/柯林斯0级潜艇的噪声水平得到了较大的改善,该艇后续使用中有关噪声问题的报道明显减少。

但对于1艘已建成的潜艇,通过改装只能完善其静音性能,要大大提高静音性能则是不切实际的。

澳潜艇总务指挥保罗#格林菲尔德无耐的表示:/我不认为我们已经完全从技术上解决了这一问题,这是一个相当相当复杂的问题,世界也没有任何地力可以给我们提供帮助或支持0。

实际上,由于结构上的原因,潜艇耐压壳几乎是不能改装的,特别是艇首部,降噪的效果并不非常理想。

澳方在对下一代潜艇水动力外形设计的相关论文中表明,为了保证潜艇首声呐罩的低噪声,在潜艇的首部5m 的范围内,最好保证完整的层流区,鱼雷发射管盖板很容易成为湍流的诱发源。

因此,下一代潜艇的鱼雷管位置必须后移,以保证艇首的线型152。

3对我国潜艇设计及建造的启示
311潜艇噪声控制应从设计抓起
/柯林斯0级潜艇的经验表明,潜艇噪声水平的高低,与潜艇设计全过程密切相关。

从方案设计之初就应根据艇的主要任务,确定螺旋桨和附体的相互位置、船体结构、动力装置、推进系统等,以保证主要设计措施的相互配合并协调对拟定艇的噪声控制措施的论证。

在初步设计阶段,应制定有关设备及噪声的控制技术的祥细要求,编制合理的研制任务书。

应在小尺度和大尺度模型和设备样机上完成设计中所采用的噪声控制手段的有效性验证。

/柯林斯0级潜艇正在这一环节上出现了问题,导致此后不得不花大量的时间和资金进行改进。

此外,在技术设计、施工设计等阶段也都应对降噪措施的有效性进行跟踪控制,以保证降噪效果的有效性。

先进国家在舰船噪声控制中建立了预报模型和评估模型,使噪声指标的制订和舰船声学设计从定性分析发展为定量估算,同时通过解决控制主要噪声源的关键技术,达到降噪的指标要求。

潜艇的降噪是一个庞大的系统工程,除了单机性能的先进之外,更重要的系统的合理配置。

/柯林斯0级潜艇设计之初是满足要求的,但后续更改设计未及时加以验证,导致噪声水平过高。

后续改进不但大大增加了费用,而且耽误了该艇的作战使用。

目前,美、英、法等国已开始用计算机对艇的外形进行优化设计,使艇的外形处于最佳状态,从而保证流体动力噪声最小。

随着新技术、新材料的出现,新的设计方法必将使潜艇的外形设计水平进一步提高,从而使流体动力噪声进一步降低。

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第9期刘兴章,等:/柯林斯0级潜艇噪声分析及其减振降噪措施
312潜艇的噪声水平的要求应明确具体
明确具体的噪声指标要求,对潜艇的设计建造有重意义。

潜艇的噪声指标非常复杂,难以用简单的指标表述清楚,低速与中高速,开启何种机械设备组合,作战海区的不同,都对潜艇的辐射噪声特征有重要的影响,决不能以一两个简单指标来评价艇的实际使用性能。

/柯林斯0级潜艇在设计之初,由于经验不足,澳大利亚海军提出的噪声指标非常模糊,只是要求比原奥/白龙0级潜艇低2倍,但是后来又不断提出更新要求,导致瑞典方面不满,从而导致设计方、生产方和军方互相指责扯皮。

其实,潜艇设计中一直有低噪声航速的要求。

在该航速下,潜艇的噪声最低(/柯林斯0级是4kn)。

围绕着低噪声航速,潜艇的外形、结构形式、动力装置、辅机方案等展开总体设计,在低噪声航速下的静音性能也成了常规潜艇最主要的考核指标。

但潜艇实际作战中,为了水下规避等作战需要,对高速性的要求也必不可少。

因此,对潜艇噪声指标的要求,应结合海况、深度、航速、设备开启状态、随航速增加噪声的增加程序等提出细致的要求,而不应以一两个指标衡量整个艇的噪声水平。

在我国后续潜艇的开发时,一定要制订具体的噪声指标,并与作战部门良好沟通,保证作战部门能结合实际状况选择作战方式。

313潜艇的降噪应贯彻系统抓起,围绕重点,全盘考虑的原则
潜艇是一个结构复杂、激励源众多、受海洋影响的复杂噪声源,影响其噪声指标的因素也非常多。

潜艇的动力设备振动及其减振、隔振措施性能的好坏对潜艇的噪声水平都有重大的影响。

应当围绕主要噪声源进行综合制理。

/柯林斯0级潜艇的螺旋桨是主要噪声源,但螺旋桨的噪声问题还有艇体流体动力学造成的影响。

因此,还要花大力气对整个艇体进行改装。

潜艇的降噪应贯彻从系统抓起,围绕重点,全盘考虑的原则,以为改了某一两项技术设计,就能全部解决噪声问题,是根本不可能的,只有各种技术手段综合运用,才有可能在其中找出最佳组合方案。

314高水平的水声测试场建设非常重要
/柯林斯0级潜艇的降噪改进过程,随着其本国噪声测试场的不断完善,发现了许多原来并不掌握的问题。

之后的改进中,该艇还到美国海军的东南阿拉斯加水声试验场(SE AFAC)进行了相关的测试。

该试验场是目前世界上最先进的水声试验场,也是美国海军在太平洋最重要的水声检测机构,承担着对美国海军在役和新研制各型舰艇实艇噪声监视及测量的任务。

在该试验场所做的测试工作,为该级艇后续降噪改进工作提供了重大的帮助。

因此,先进的水声试验场,对于潜艇噪声问题的发现和降噪改进措施的评价,具有不要替代的作用。

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